Revolutionäre Lasertechnik für Chemie-Sensor

Frequenzkämme lassen sich auf einem einzigen Chip auf sehr einfache und robuste Weise erzeugen

Laser mit ganz speziellen spektralen Eigenschaften (Grafik: tuwien.ac.at)

Wien (pte021/11.12.2018/13:30) – Wissenschaftler der Technischen Universität Wien (TU Wien) http://tuwien.ac.at haben eigenen Angaben nach eine "revolutionäre Technik" entwickelt, um
ganz spezielles Laserlicht zu erzeugen, das aus verschiedenen Frequenzen
besteht und sich bestens für chemische Sensoren eignet. Details wurden
im Fachjournal "Nature Photonics" präsentiert.

Chemielabor im Millimeter-Format

Mit der neuen Technologie, die bereits zum Patent angemeldet wurde,
lassen sich sogenannte Frequenzkämme auf einem einzigen Chip auf sehr
einfache und robuste Weise erzeugen. Schon mit zwei Frequenzkämmen ist
es relativ einfach möglich, ein Spektrometer zu bauen. "Dabei nützt man
Schwebungen zwischen verschiedenen Frequenzen aus, ähnlich wie sie in
der Akustik auftreten, wenn man zwei verschiedene Töne mit ähnlicher
Frequenz hört. Wir verwenden diese neue Methode, weil sie ohne
bewegliche Teile auskommt und entwickeln damit ein Chemielabor im
Millimeter-Format", so Forschungsleiter Benedikt Schwarz.

An der TU Wien werden Frequenzkämme mit einer ganz speziellen Art von
Lasern hergestellt – mit sogenannten "Quantenkaskadenlasern". Dabei
handelt es sich um Halbleiterstrukturen, die aus vielen verschiedenen
Schichten bestehen. Wenn man elektrischen Strom durch die Struktur
schickt, sendet sie Laserlicht im Infrarotbereich aus. Die Eigenschaften
des Lichts kann man steuern, indem man die Geometrie der
Schichtstruktur passend wählt.

Robustheit des Frequenzkammes

"Mithilfe eines elektrischen Signals mit einer ganz bestimmten Frequenz
können wir unsere Quantenkaskadenlaser gezielt beeinflussen und bekommen
eine Reihe von Lichtfrequenzen, die alle miteinander gekoppelt sind",
sagt Johannes Hillbrand, Erstautor der Publikation. Das Phänomen
erinnere an Schaukeln auf einem Schaukelgerüst – wenn man nicht die
einzelnen Schaukeln anstößt, sondern in der richtigen Frequenz am Gerüst
wackelt, kann man alle Schaukeln dazu bringen, in bestimmten
gekoppelten Mustern zu schwingen.

"Der große Vorteil unserer Technik ist die Robustheit des
Frequenzkammes", unterstreicht Schwarz. Ohne diese Technik sind die
Laser extrem empfindlich gegen Störungen, wie sie außerhalb des Labors
unvermeidlich sind – etwa Temperaturschwankungen oder Reflexionen, die
einen Teil des Lichts wieder in den Laser zurücksenden. "Unsere Technik
kann mit sehr geringem Aufwand realisiert werden und eignet sich daher
hervorragend für praktische Anwendungen selbst in schwierigen
Umgebungen. Die benötigten Bauelemente findet man heute im Grunde in
jedem Mobiltelefon", betont Schwarz.

Dass der Quantenkaskadenlaser einen Frequenzkamm im Infrarotbereich
erzeugt, ist deshalb wichtig, weil viele wichtige Moleküle genau in
diesem Bereich am besten detektiert werden können. "Verschiedene
Luftschadstoffe, aber auch Biomoleküle, die für die medizinische
Diagnostik eine wichtige Rolle spielen, absorbieren ganz bestimmte
Lichtfrequenzen im Infrarotbereich. Man bezeichnet das oft auch als
optischen Fingerabdruck des Moleküls", verdeutlicht Hillbrand. "Wenn man
also misst, welche Infrarot-Frequenzen von einer Gasprobe absorbiert
werden, kann man ganz genau sagen, welche Stoffe sie enthält."